FORSCHUNG & INNOVATION. Bekleidungsphysiologische Forschung im Dienste des Tragekomforts

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1 FORSCHUNG & INNOVATION Bekleidungsphysiologische Forschung im Dienste des Tragekomforts

2 Vorwort Prof. Dr. Stefan Mecheels Leiter Hohenstein Institute Der Zusammenhang von Kleidung und körperlichem Wohlbefinden hat die Menschen seit jeher beschäftigt. Vergleichsweise jung ist dagegen die wissenschaftliche Disziplin der Bekleidungsphysiologie, die in Deutschland seit 1946 maßgeblich von den Hohenstein Instituten geprägt wurde und wird. In dieser Sonderveröffentlichung haben wir die Meilensteine einer Entwicklung zusammengestellt, die von der ersten Form menschlicher Bekleidung durch Felle und Leder bis hin zu modernen Funktionstextilien reicht. Mit den Untersuchungsmethoden der Bekleidungsphysiologie lassen sich heute Kleidungsstücke, aber auch Bettwaren und Schlafsäcke, optimal auf den jeweiligen Einsatzbereich hin abstimmen. Den Grundstein dafür bildete der Ideenreichtum der Hohensteiner Wissenschaftler. Ihm verdankt die bekleidungsphysiologische Forschung bahnbrechende und mittlerweile international anerkannte Prüfsysteme wie das Hohenstein Hautmodell und die thermische Gliederpuppe Charlie. Zum 1. Oktober 2009 haben wir die Fachkompetenz der bisherigen Unternehmensbereiche Bekleidungsphysiologie und Textile Dienstleistungen & Innovationen in der neu eingerichteten Abteilung Function and Care gebündelt. Die Leitung übernimmt Dr. Andreas Schmidt in Nachfolge von Prof. Dr. Karl-Heinz Umbach, der sich nach seiner 33-jährigen Tätigkeit an den Hohenstein Instituten aus dem operativen Geschäft zurückgezogen hat. HERAUSGEBER: Hohenstein Group Schlosssteige Bönnigheim GERMANY Tel.: Fax: info@hohenstein.de Internet: ANSPRECHPARTNER: Dr. Timo Hammer Geschäftsführer Tel.: t.hammer@hohenstein.de HOHENSTEIN Mit Stolz schauen wir auf mehr als 60 Jahre Arbeit im Dienste des Tragekomforts zurück und freuen uns darauf, auch die zukünftigen Generationen innovativer Textilien mitgestalten zu dürfen. Prof. Dr. Stefan Mecheels Leiter der Hohenstein Institute 2009 Hohenstein Institute 2 3

3 TOPICS Bekleidungsphysiologische Forschung an den Hohenstein Instituten im Dienste des Tragekomforts Kleidung für den nackten Affen 6 Kleidung und Mystizismus 7 Die Geburtsstunde der qualitativen Bekleidungsphysiologie 8 Zeitenwende in der Textilindustrie 8 Know-how made in Hohenstein 9 Die Geburtsstunde der quantitativen Bekleidungsphysiologie 11 Das Maß aller Dinge 12 Der Siegeszug der Chemiefasern 13 Seit der Gründung im Jahre 1946 beschäftigt sich das internationale Textilforschungs- und Dienstleistungszentrum Hohenstein Institute in Bönnigheim unter anderem intensiv mit dem Wechselspiel zwischen Textilien und menschlicher Physiologie. Ziel war und ist es, Bekleidung, Bettwaren und Fahrzeugsitze zu entwickeln, welche insbesondere die Temperaturregelung in Abhängigkeit vom Umgebungsklima und der Tätigkeit optimal unterstützen, das heißt einen hohen Komfort bieten. Da auch das Empfinden der Textilien auf der Haut, das heißt die Hautsensorik, und die Passform (ergonomischer Tragekomfort) entscheidende Faktoren dafür sind, dass ein textiles Produkt als angenehm empfunden wird, müssen aber auch diese Faktoren bei der Produktentwicklung berücksichtigt werden. Institutsgründer Prof. Dr.-Ing. Otto Mecheels, sein Sohn und Nachfolger als Institutsleiter, Prof. Dr. Jürgen Mecheels, und Prof. Dr. Karl-Heinz Umbach, gelten als die Väter der bekleidungsphysiologischen Forschung in Deutschland und damit unter anderem als Wegbereiter für die heutige Form der Funktionstextilien. Dank des von den Hohensteiner Spezialisten entwickelten Hautmodells und der thermischen Gliederpuppe Charlie (Bild 1) sowie spezieller hautsensorischer Messmethoden verfügt die Wissenschaft der Bekleidungsphysiologie heute über eine Reihe kleidungsspezifischer Kenngrößen, um den Tragekomfort objektiv zu beurteilen. Tragekomfort ist Hau(p)tsache 14 Gute Noten für den Komfort 15 Wie man sich bettet Bild 1: Unter anderem mit Hilfe des Thermoregulationsmodells des Menschen Charlie lässt sich der Tragekomfort von Kleidung heute objektiv bewerten und optimieren. Frieren im Schlafsack? 17 Komfort macht mobil 18 Kinder sind mehr als kleine Menschen 20 Der Kampf gegen kalte Hände und Schweißfüße 21 Bekleidungsphysiologische Messmethoden im Überblick

4 Bild 3: Mit den Methoden der Bekleidungsphysiologie lassen sich auch die thermophysiologischen und hautsensorischen Eigenschaften von Kleidung ermitteln, wie sie vom Gletschermann Ötzi in der Jungsteinzeit getragen wurde. Bild 4: Zeichnungen in ägyptischen Gräbern belegen den besonderen Wert, der Kultgewändern aus Leinen beigemessen wird. Bild 2 links: Bis in die Neuzeit schützten sich die Menschen ausschließlich mit Kleidung aus Naturmaterialien wie Wolle, Leder und Fell vor Witterungseinflüssen. Dadurch wird es erstmals in der langen Geschichte der Bekleidung möglich, diese gezielt im Hinblick auf bestimmte Einsatzbereiche und Anforderungen zu bewerten und zu optimieren. Zuvor flossen in die Wahl von Materialien und Schnittkonstruktion nicht zuletzt mystische Vorstellungen ein, die im engen Kontext zur kulturellen Entwicklung standen. Kleidung für den nackten Affen Der Verlust des Fells stellt in der Geschichte der Menschwerdung einen Meilenstein dar. Die ersten Primaten regulieren ihre Körpertemperatur wie alle Säugetiere über die Atmung, was den Umfang der Wärmeabfuhr aber stark einschränkt. Der Frühmensch nutzt zur Wärmeabfuhr dagegen den ganzen Körper und wird damit in Punkto Ausdauer und Anpassungsfähigkeit den meisten Tieren überlegen. Zudem wird erst über das Schwitzen am Körper die Kommunikationsfähigkeit über Sprache für den nackten Affen auch bei großer Hitze oder unter Anstrengung möglich. Wirklich effektiv ist die Fähigkeit zu schwitzen jedoch nur, wenn kein Fell die Luftzirkulation behindert. Im Laufe der Evolution verliert der Mensch deshalb weitgehend sein Körperhaar. Die Besiedelung kälterer Weltregionen wird für den Frühmenschen in der Folge nur durch die Erfindung schützender Kleidung möglich (Bild 2). Aber selbst unter klimatischen Bedingungen, die einen Körperschutz durch Kleidung eigentlich unnötig machen, bilden sich im Rahmen der kulturellen Entwicklung aus ethisch-religiösen Motiven heraus typische Bekleidungsformen. Kleidung und Mystizismus Von jeher ist die Verwendung der Naturmaterialien Fell, Wolle, Baumwolle und Leinen nicht nur mit praktischen, sondern auch mit mystischen Vorstellungen verbunden. In der ägyptischen Hochkultur gelten Leinengewebe beispielsweise als besonders rein und werden deshalb bevorzugt für Kultzwecke eingesetzt (Bild 4). Schafswolle dagegen wird als unrein eingestuft und allenfalls als Kleidung für niedere Schichten verarbeitet. Um den Übergang in das Totenreich nicht zu gefährden, darf die Bestattung entsprechend auch nicht in Wollkleidung erfolgen. Vom griechischen Philosophen Empedokles sind um 500 v. Ch. erste Überlegungen zur Funktion von Kleidung überliefert. Er stellt die Theorie auf, dass die Haut atmet. Kleidung soll die bei der Hautatmung anfallenden Ausdünstungen zum einen nicht behindern, andererseits aber auch das Eindringen von Giftstoffen aus der Umwelt vermeiden helfen. Leinenmaterial wird nachgesagt, diese Anforderungen am besten zu erfüllen. Die Vorstellung der Hautatmung und die damit verbundene Ablehnung von Woll- und Baumwollstoffen durch die führenden Gesellschaftsschichten hält sich bis in das Barock. Adel und gehobener Klerus kleiden sich in Leinen und Seide. Ein Paradigmenwechsel erfolgt gegen 1650: Sandorius, Arzt aus Padua, stellt die Theorie auf, nach der ernsthafte Erkrankungen dadurch zu vermeiden sind, dass die Ausdünstungen des Körpers durch besonders warme Kleidung angeregt werden. Vor dem Hintergrund der verheerenden Pestepidemien, die seit dem Mittelalter ganze Landstriche in Europa entvölkern, empfiehlt er das Tragen möglichst vieler Schichten von Wollkleidung. Deren wärmende Wirkung schreibt er der verbliebenen inneren Wärme der Schafe zu. Abgeleitet von der Fähigkeit der Wolle, große Feuchtigkeitsmengen aufzunehmen, sollen zudem giftige Dämpfe aus der Umgebung von ihr absorbiert und durch die Reibung auf der Haut deren Poren geöffnet und die Hautatmung angeregt werden. Wie sehr sich der Glaube an die Überlegenheit von Wolle gegenüber Leinen und Baumwolle im Vergleich zu früheren Überzeugungen in der Bevölkerung festsetzt, belegt unter anderem der englische Wool Act. Nach diesem dürfen zwischen 1678 und 1824 Tote nur in Schafwolle gekleidet beerdigt werden, da diese die Lebenden vor den gefährlichen Ausdünstungen der Verwesenden schützen soll. 6 7

5 Die Geburtsstunde der qualitativen Bekleidungsphysiologie Im 18. Jahrhundert führen Ärzte erstmals systematische Trageversuche mit Kleidung durch. Sie halten an der Idee der Hautatmung fest, stellen aber eine Gegentheorie zu Sandorius auf, indem sie das Tragen möglichst leichter und offenporiger Textilien empfehlen, um die Hautatmung möglichst zu erleichtern. Das übermäßige Schwitzen durch zu warme Kleidung halten sie für krankheitsfördernd und verweichlichend für den gesamten Organismus. In einem neuerlichen Paradigmenwechsel werden Leinen und Baumwolle wiederum als der Wolle überlegen propagiert. Mit der Entdeckung des Sauerstoffs und der Zusammenhänge bei der menschlichen Atmung kommt im 19. Jahrhundert die Vorstellung der Hautatmung als zentraler Faktor erstmals ins Wanken. Bei Trageversuchen werden dagegen erste Aspekte des Tragekomforts untersucht, wie wir ihn heute definieren: die Wärmeisolation, die Fähigkeit zur Feuchteaufnahme und die Grenze, ab der das Material vom Träger als feucht empfunden wird. Zwischen 1907 und 1920 erfolgt dann die erste systematische Erforschung der Zusammenhänge zwischen der Physiologie des Körpers und der Kleidung, deren Ergebnisse bis heute prinzipielle Gültigkeit haben: Die Wirkung der Hautatmung ist unwesentlich Die Wärmeisolation ist nicht faser-, sondern konstruktionsabhängig (d. h. von Dicke, Webart, Porenanteil, Luftdichtigkeit der Textilien) Das Feuchtetransportvermögen ist besonders wichtig für den empfundenen Tragekomfort Auch beim Feuchtetransportvermögen ist nicht so sehr das Fasermaterial wesentlich, sondern insbesondere die Konstruktionsparameter Jedes Fasermaterial hat Vor- und Nachteile es kommt auf die Tragesituation an Zeitenwende in der Textilindustrie Die Entwicklung der ersten synthetischen Textilfasern Nylon 1935 durch Dr. Wallace Hume Carothers in den USA und Perlon durch den deutschen Chemiker Prof. Dr. Paul Schlack in Berlin 1938 stellt eine textile Zeitenwende dar: Neben den althergebrachten Naturfasern stehen erstmals neue Materialien zur Verfügung, deren Eigenschaften sich in der Folge auch gezielt beeinflussen lassen (Bild 5). Vor dem Hintergrund des 2. Weltkrieges arbeiten Physiker, Chemiker, Textilingenieure und Ärzte insbesondere in den USA an der Optimierung der Bekleidung für die kämpfenden Trup- Bild 5: Mit Nylon und Perlon stehen in den 1930er Jahren erstmals Kunstfasern für die Produktion von Kleidung zur Verfügung. pen. Dazu untersuchen sie zunächst mit wissenschaftlichen Mitteln die Wechselwirkung zwischen Körper, Klima und Kleidung. Dabei erkennen sie u. a. die Bedeutung der Schnittgestaltung für die physiologische Funktion der Kleidung. Know-how made in Hohenstein Prof. Dr.-Ing. Otto Mecheels greift nach dem 2. Weltkrieg in Deutschland als erster Wissenschaftler die Thematik in seinem neu gegründeten Forschungsinstitut Hohenstein in Bönnigheim auf. Schnell wird jedoch klar, dass eine objektive und wissenschaftlich fundierte Beurteilung des Komforts über Trageversuche am Menschen allein nicht realisierbar ist (Bild 6). Abweichungen bei den Ergebnissen durch Schwankungen der Umgebungstemperatur, personenbezogene Faktoren usw. sollen deshalb durch Laboreinrichtungen eliminiert werden, bei denen die physiologischen Vorgänge im Körper möglichst realistisch nachgestellt werden, dies aber unter jederzeit nachvollziehbaren, kontrollierten Bedingungen. Den Startpunkt der quantitativen Bekleidungsphysiologie bildet die Entwicklung eines ersten thermoregulatorischen Funktionsmodells der menschlichen Haut (kurz Hautmodell) zur Messung des Wärme- und Feuchtetransportvermögens durch Prof. Dr. Jürgen Mecheels, Sohn von Prof. Dr.-Ing. Otto Mecheels, im Jahr 1956 (Bild 7). Allerdings war bei diesem Prototyp des Hautmodells, anders als heute, die separate Erfassung des Wärme- und Feuchtetransports durch die Textilien hindurch nicht möglich, so dass z. B. deren Atmungsaktivität noch nicht physikalisch definiert gemessen werden konnte. Zur quantitativen Erfassung der Wechselwirkung von Körper-Klima-Kleidung waren also weitere Messgeräte erforderlich. So erfolgt unter der Ägide von Prof. Dr. Jürgen Mecheels auch die Erstellung des in Deutschland ersten Thermoregulationsmodells des Menschen. Ab 1968 ergänzen die Messungen mit Charlie 1 die Erfassung von bekleidungsphysiologischen Kenngrößen zur Ermittlung des objektiven Tragekomforts (Bilder 8, 9, 10). Während mit dem Hohenstein Hautmodell die Textilien ausschließlich als Flächengebilde untersucht werden Bild 6: Trageversuche finden mangels Klimakammer 1953 noch auf einer Teststrecke in den Weinbergen um Hohenstein statt. Bild 7: Prof. Dr. Jürgen Mecheels entwickelt im Rahmen seiner Dissertation um 1956 den Vorläufer des Hohenstein Hautmodells. Bild 8: Die Mitarbeiter von Prof. Dr. Jürgen Mecheels demonstrieren 1968 stolz den einzigen Bekleidungsroboter der Welt (Pressetext). Noch muss Charlie 1 ohne Kopf, Hände und Füße auskommen. Von links: Dipl.-Ing. Luthard, Siegfried Müller, Dr. Roland Schmieder, Renate Demeler, Franz Raab Bild 9: 1974 präsentiert sich Charlie 1 im Kreise von drei Models anlässlich des 25-jährigen Jubiläums der Lehranstalt Hohenstein e.v. 8 9

6 Bild 10: Der Körper von Charlie 1 besteht aus Kupfer, das schwarz gestrichen ist, um dem Wärmestrahlungsverhalten des menschlichen Körpers so nah wie möglich zu kommen. können, erfolgen die Messungen mit Charlie 1 an konfektionierten Kleidungsstücken. Charlie 1 führt dabei weltweit als erste thermische Gliederpuppe Gehbewegungen aus. Da die Schnittgestaltung und die mit der Bewegung verbundenen Ventilationseffekte einen maßgeblichen Einfluss auf die physiologische Funktion haben, lassen sich da- Bild 11: Die Optimierung der physiologischen Funktion von Kleidung ist besonders im Hinblick auf extreme körperliche Belastungssituationen wichtig, wie z. B. beim Kampfeinsatz von Soldaten. mit erstmalig verlässliche und praxiskonforme Aussagen für Kleidungsstücke oder -kombinationen machen. Die Wärmeisolation des untersuchten Kleidungsstückes ergibt sich dabei aus der Energiemenge, die dem Körper von Charlie 1 zugeführt werden muss, um seine Hauttemperaturen auf vorgegebenen Werten konstant zu halten. Die Geburtsstunde der quantitativen Bekleidungsphysiologie Um die Messwerte aus Hautmodell und thermischer Gliederpuppe in das Komfortempfinden des Menschen übertragen zu können, führt Prof. Dr. Jürgen Mecheels mit seinen Mitarbeitern zahlreiche Trageversuchen mit Menschen durch. Im Rahmen von Forschungsvorhaben werden unterschiedlichste Materialien und vielfältige Vorgaben an Klima und körperliche Beanspruchung des Menschen untersucht. Seit 1962 steht dafür in Hohenstein eine Klimakammer zur Verfügung, in der sich ein breites Spektrum an Temperatur- und Witterungsbedingungen nachstellen lässt (Bilder 11, 12). Um die mit Charlie 1 und seinem Anfang der 1970er Jahre entwickelten und technisch verbesserten Nachfolgemodell Charlie 2 (Bild 13) gewonnenen Messergebnisse auf den Menschen übertragen zu können, werden ein sogenannter Standard-Mann (1,75 m, 75 kg) und eine Standard-Frau (1,60 m, 60 kg) definiert. Bis heute dienen sie hinsichtlich des Körpergewichts als Maßgabe für die Auswahl geeigneter Testpersonen und als allgemeine Bezugsgrößen bei der Darstellung und Interpretation bekleidungsphysiologischer Messergebnisse. Der Physiker Prof. Dr. Karl-Heinz Umbach (Bild 14) verfeinert und ergänzt ab 1976 die beklei- dungsphysiologischen Messmethoden und biophysikalischen Berechnungsmodelle maßgeblich. Eines seiner ersten Projekte ist die Weiterentwicklung des Hohenstein Hautmodells. Über eine poröse Sintermetallplatte als Messfläche werden in einem Klimaschrank kontrolliert sowohl Wasserdampf als auch flüssiges Wasser abgegeben und auf diese Weise das Schwitzen der menschlichen Haut sowie verschiedene Tragesituationen mit unterschiedlich starkem Schwitzen simuliert. Feuchtesensoren zwischen Messfläche und zu prüfendem Textil messen die Pufferwirkung des Textils und wie viel Wasserdampf dieses innerhalb einer bestimmten Zeit vom Körper weg transportieren kann. Diese moderne Messtechnik liefert genauere und detailliertere Ergebnisse. Während früher die manuelle Auswertung der Messdaten einer Trageversuchsserie bis zu drei Monate dauerte, erledigen nunmehr erste Computer dies in wenigen Stunden (Bild 15). Bei Charlie 3 (ab 1980) erfolgt die Temperaturzufuhr nicht mehr wie bei seinen Vorgängern durch heißes Wasser, sondern über elektrische Heizleitungen im Körper. Darüber hinaus wird seine Oberflächentemperatur erstmals getrennt für 16 einzelne Sektionen am Körper geregelt. Damit wird dem Umstand Rechnung getragen, dass die Temperaturverteilung am Körper des Menschen sehr unterschiedlich ist. Um sich kom- Bild 12: Ab 1962 steht an den Hohenstein Instituten eine Klimakammer für Trageversuche zur Verfügung mit denen sich verschiedenste Witterungsbedingungen simulieren lassen. Bild 13: Bei einer experimentellen Vorführung der thermischen Gliederpuppe Charlie 2 an den Hohenstein Instituten wird das linke Bein in Eiswasser getaucht und die Reaktion auf ihre Thermoregulation erfasst. Bild 14: Ab 1976 entwickelt Prof. Dr. Karl-Heinz Umbach (rechts) die bekleidungsphysiologischen Messmethoden von Prof. Dr. Jürgen Mecheels (links) weiter und übernimmt die Leitung der entsprechenden Abteilung in Hohenstein. Bild 15: Die Komplexität der Messergebnisse mit ihren immer größeren Datenmengen machen für den Bereich Bekleidungsphysiologie schon Anfang der 1980er Jahre die Einrichtung eines eigenen Rechenzentrums notwendig

7 fortabel zu fühlen, sollte diese z. B. am Kopf um 30 C und am Rumpf um 34 C liegen. An den Unterarmen dagegen sollte sich die Hauttemperatur um 32 C bewegen. Um einen optimalen Tragekomfort zu bieten, muss die Wärmeisolation eines Kleidungsstücks entsprechend sektionell aufgebaut sein. Heute versieht bereits die vierte Charlie -Generation (Bild 16) in Hohenstein ihren Dienst und weist durch die Abgrenzung der einzelnen Messsegmente mit Teflonscheiben bzw. -leisten und der dadurch möglichen Trennung der Wärmeflüsse an den einzelnen Körpersektionen eine noch höhere Messgenauigkeit als seine Vorgänger auf. Aber auch der inzwischen technisch überholte Charlie 2 kommt bis heute immer noch in Spezialfällen wie der Optimierung von Seenotanzügen zum Einsatz beim Schwimmen im eiskalten Wasser könnte es bei seinen elektrisch beheizten Nachfolgern zu Kurzschlüssen kommen fertigen die Hohensteiner Wissenschaftler einen Bruder für Charlie 4 an, der mit dem Namen Ralphie an ein amerikanisches Prüfund Forschungsinstitut verkauft wird und dort bis heute noch aktiv ist. Das Maß aller Dinge Messungen mit dem Hohenstein Hautmodell (Bild 17) und den thermischen Gliederpuppen Charlie 2-4 (Bild 16) bilden heute unter anderem die Standarduntersuchungen im Bereich der Bekleidungsphysiologie und das weltweit. In Deutschland definiert die Norm DIN ab 1991 das Messverfahren mit dem Hohenstein Hautmodell wird sie durch die internationalen Normen ISO und EN ersetzt. Zur Beurteilung des Tragekomforts werden heute mit dem Hautmodell nicht nur die Wärmeisolation und der jeweilige Wasserdampfdurchgangswiderstand ( Atmungsaktivität ) des Textiles in normalen Situationen gemessen, sondern auch die bei stärkerem bzw. sehr starkem Schwitzen bewirkte Schweißpufferung sowie der Schweißtransport. Dank der grundlegenden Forschungsarbeiten der Hohenstein Institute sind konkrete Anforderungswerte an diese Größen bekannt, die Textilien in Abhängigkeit ihrer Einsatzbedingungen erfüllen müssen, um einen guten Tragekomfort aufzuweisen finden diese bekleidungsphysiologischen Anforderungswerte erstmals Eingang in die Nor- men für Schutzkleidung. Es wird die DIN Wetterschutzkleidung verabschiedet, die als Novum nicht nur technologische Anforderungen wie z. B. Wasserdichtheit, Scheuerfestigkeit etc. an die Textilien dieser Kleidung stellt, sondern die auch bekleidungsphysiologische Belange des Trägers in Form einer Mindest- Atmungsaktivität berücksichtigt wird diese deutsche Norm durch die europäische EN 343 abgelöst. Zwischenzeitlich und in der Folge werden in zahlreichen weiteren Normen für Schutzkleidung Anforderungswerte für den Tragekomfort aufgenommen, so wie z. B. in der DIN für Arbeitsbekleidung in Lebensmittelbetrieben, der EN 469 für Feuerwehrschutzkleidung, sowie der EN 471 für Warnschutzkleidung etc. Der Siegeszug der Chemiefasern Die sogenannten Nyltest-Hemden mit ihrem katastrophalen Tragekomfort bringen die Chemiefasern in den 1960er und den darauf folgenden Jahren in Verruf. Die Untersuchungen von Prof. Dr. Karl-Heinz Umbach belegen jedoch, dass bei entsprechender Konstruktion auch Textilien aus Chemiefasern nicht nur ein den Naturfasern gleichwertiges Wärme- und Feuchtemanagement an der Haut ermöglichen, sondern diesen unter manchen Bedingungen sogar überlegen sind. Auf Basis der Hohensteiner Forschungsergebnisse entstehen Anfang der 1980er Jahre die ersten zweischichtigen Textilien ( Double Face ), bei denen Chemie- und Naturfasern flächenmäßig getrennt miteinander kombiniert werden.ein österreichischer Sportwäschehersteller stattet 1980 die nationale Damenmannschaft für die Winter olympiade in Lake Placid mit zweischichtiger Unterwäsche aus, die zusammen mit den Hohensteiner Wissenschaftlern entwickelt wurde. Die auf der Haut aufliegenden Chemiefasern leiten den Schweiß schnell und effektiv vom Körper weg, während die außenliegende Baumwolle für eine gute Pufferung und Verdunstung der Feuchtigkeit sorgt. Auf diese Weise kombiniert, bieten die beiden Materialien durch den besseren Schweißtransport und das somit trockenere Gefühl am Körper sowie das raschere Abtrocknen einen deutlich besseren Tragekomfort als die bisher übliche Baumwollwäsche. Nach der positiven Resonanz der Olympionikinnen erfolgt mit dem Artikel Transtex die Markteinführung von zweischichtiger Unterwäsche auch für Bild 16: Wie bei seinem direkten Vorgänger werden auch beim neuesten Charlie 4 die Hauttemperaturen an 16 Sektionen geregelt und die jeweiligen Wärmeflüsse durch die Kleidung hindurch gemessen damit sind noch differenziertere Aussagen zur Wärmeisolation und der physiologischen Funktion eines Kleidungsstückes möglich. Bild 17: Mittlerweile versehen sieben Hohenstein Hautmodelle in den eigenen Labors und 16 weitere von den Hohenstein Instituten angefertigte Geräte weltweit ihren Dienst

8 Bild 18: Die zweischichtige Unterwäsche der österreichischen Damenmannschaft bei den olympischen Winterspielen 1980 in Lake Placid gilt heute als erste moderne Funktionswäsche. Quelle: Fa. Löffler Bild 19: Hautsensorische Aspekte von Textilien werden im Rahmen der physiologischen Prüfung an den Hohenstein Instituten mit einer Reihe von Messmethoden, darunter die hier dargestellte Ermittlung des Oberflächenindex, erfasst und fließen u. a. in die Tragekomfortnote ein. Hobbysportler (Bild 18). Der durchschlagende Erfolg am Markt setzt den Siegeszug der Funktionstextilien in Gang, der bis heute anhält und zu einer immer stärkeren Differenzierung abhängig vom Einsatzzweck der Materialien sorgt. Haut Polypropylen Baumwolle Tragekomfort ist Hau(p)tsache Als schwer fassbar erweisen sich in den Anfangsjahren der bekleidungsphysiologischen Forschung an den Hohenstein Instituten die hautsensorischen Aspekte von Textilien, d. h. die Berührungsempfindungen, die von ihnen auf der menschlichen Haut ausgelöst werden. Bereits in den 1950er Jahren gehört deren Beurteilung zum Befragungsraster für Testpersonen allerdings mit den gleichen Problemen hinsichtlich der Objektivität und Reproduzierbarkeit wie bei der thermophysiologischen Beurteilung. In den frühen 1970ern arbeitet u. a. Sueo Kawabata von der University of Shiga Prefecture im japanischen Hikone City an Apparaturen, mit denen die menschlichen Tastbewegungen nachgeahmt werden. Mit ihrer Hilfe soll das subjektive Tastempfinden, d. h. der sogenannte textile Griff in exakte physikalische Messgrößen umgesetzt werden. Hierbei zeigt sich, dass die Messung der Schersteifigkeit sehr gut mit der subjektiven Griffbeurteilung korreliert. Bei der Bestimmung der Schersteifigkeit wird die Kraft gemessen, die nötig ist, um einen waagerecht eingespannten Textilstreifen einer parallelen Verschiebung zu unterwerfen. Da das Empfinden an den Händen sich jedoch von demjenigen am Körper signifikant unterscheidet, lassen sich die japanischen Forschungsergebnisse für die Beurteilung des hautsensorischen Tragekomforts von Textilien nicht ohne weiteres übernehmen. An den Hohenstein Instituten analysiert Prof. Dr. Karl-Heinz Umbach mit seinen Mitarbeitern deshalb die Einflussgrößen für das hautsensorische Empfinden und entwickelt ein neues Mess- und Beurteilungsverfahren: So wird z. B. eine auf schweißnasser Haut anklebende Kleidung als äußerst unangenehm empfunden. Hautnahe Textilien sollten daher möglichst nicht an der Hautoberfläche ankleben aufgeraute textile Oberflächen und abstehen- de Faserenden bilden natürliche Abstandshalter zwischen Textil und Haut. Anhand einer Vielzahl von Testreihen definiert das Hohensteiner Spezialistenteam mit einem Bildanalysesystem einen Oberflächenindex, der die Zahl und Länge dieser Abstandshalter in einem Zahlenwert ausdrückt (Bild 19). Für einen guten hautsensorischen Tragekomfort muss der Wert dieses Oberflächenindex zwischen 3 und 15 liegen. Ebenfalls mit Hilfe moderner Bildbearbeitung am Computer erfolgt die Messung der Kontaktpunktzahl zwischen Textil und Haut, die zeigt, ob das Textil etwa beim Schwitzen als unangenehm klamm oder feucht empfunden wird. Um die Effekte zu beurteilen, die bei Bewegungen durch das Reiben der Textilien auf der Haut entstehen, entwickelt Prof. Dr. Karl-Heinz Umbach eine Messapparatur, bei der das zu untersuchende textile Material definiert über eine Sinterglasplatte gezogen wird, die als Hautsimulator Wasser aus ihren Poren abgibt. Aus der dafür notwendigen Kraft wird ein Klebeindex ermittelt, dessen Zahlenwert angibt, ob das Textil beim Schwitzen an der Haut anklebt. Als weitere Einflussgröße auf den hautsensorischen Tragekomfort wird die Steifigkeit des Textils gemessen. Dazu wird in einer Messeinrichtung per Laserstrahl der Biegewinkel des auf einem dünnen Stab aufgelegten Stoffstreifens ermittelt. Auch hier helfen die jahrzehntelangen Erfahrungen der Hohensteiner Wissenschaftler, um für verschiedene Produkt- und Einsatzbereiche Vorgaben zu definieren, mit deren Hilfe sich mechanische Hautirritationen aufgrund zu hoher Biegesteifigkeit des Materials vermeiden lassen. Da feuchte Haut mechanisch leichter reizbar ist als trockene, muss die hautnahe Kleidung zudem größere Schweißmengen schnell an hautfernere Schichten abtransportieren können. Der Benetzungsindex gibt an, wie schnell ein textiles Material flüssigen Schweiß aufnehmen und vom Körper wegleiten kann. Zu dessen Ermittlung entwickelt Prof. Dr. Karl-Heinz Umbach eine spezielle, per Videosystem kontinuierlich erfolgende Kontaktwinkelmessung eines auf die Textiloberfläche definiert aufgebrachten Wassertropfens (Bild 20). Damit kann exakt festgestellt werden, welche Zeit bis zum vollständigen Eindringen des Wassers in das Material vergeht. Gute Noten für den Komfort Dank der entwickelten Laboruntersuchungen stehen an den Hohenstein Instituten seit Mitte der 1980er Jahre zahlreiche textile Kennzahlen zur Beurteilung des Tragekomforts von textilen Flächengebilden zur Verfügung. Daraus lassen sich von den Spezialisten Einzelaspekte wie z. B. die Atmungsaktivität eines Materials beurteilen und Konstruktionshinweise zu deren Optimierung geben. Ziel ist es in der Folge, die einzelnen Kennzahlen in einer Gesamtaussage zum Tragekomfort eines Textils zusammenzufassen. Diese Komfortnote soll wie im deutschen Schulnotensystem von Bild 20: Mittels der kontinuierlichen Kontaktwinkelmessung eines Wassertropfens auf der Textiloberfläche wird ermittelt, wie schnell das Material flüssigen Schweiß aufnimmt

9 Bild 21: Das Hohenstein Qualitätslabel Tragekomfortnote zur Auszeichnung der physiologischen Güte von Kleidung am Point of Sale. Bild 22: Im Laufe einer Nacht müssen von den Bettkomponenten mindestens ca. ¼ Liter Schweiß vom Körper des Schlafenden wegtransportiert und gleichzeitig das Mikroklima in der Schlafhöhle stabil auf angenehm empfundenen Werten gehalten werden auch bei wechselnder Umgebungstemperatur. 1 (= sehr gut) bis 6 (= ungenügend) reichen und eine quantitative Beurteilung der physiologischen Qualität eines Textilprodukts liefern sowie auch für den textilen Laien beim Kauf direkte Produktvergleiche im Hinblick auf den Tragekomfort ermöglichen. Bei der Entwicklung der unterschiedlichen mathematischen Formeln, welche die Tragekomfortnote unterschieden nach Kleidungsart und Tätigkeitsschwere des Trägers auf Basis der mit dem Hautmodell und den hautsensorischen Apparaturen gemessenen Textilkennzahlen ergeben, fließen insbesondere die gesammelten Erfahrungen der Hohensteiner Spezialisten aus mehreren Jahrzehnten ein. Seit 2003 können Hersteller und Vertreiber die Tragekomfortnote mit dem Hohenstein Qualitätslabel auch direkt am Produkt zum Beispiel als Hangtag oder Verpackungsaufdruck ausloben (Bild 21). In Verbindung mit weiteren überprüften Parametern, wie z. B. Schadstofffreiheit oder der Verwendung von Nanotechnologie, lassen sich so weitreichende Qualitätsaussagen für ein Produkt neutral belegen und gegenüber dem Verbraucher kommunizieren. MUSTER GEPRÜFT AUF: TRAGEKOMFORTNOTE 1.0 (SEHR GUT) PRÜF-NR.: FI 09.4.XXXX Wie man sich bettet... Von den Erkenntnissen der Hohenstein Institute im Bereich Bekleidungsphysiologie profitieren weltweit nicht nur die Träger von Bekleidung, sondern durch einen verbesserten Schlafkomfort auch die Nutzer von Bettwäsche, Encasings (für Hausstaubmilben-Allergiker) und Steppbetten. Bei der Beurteilung des Schlafkomforts von Bettdecken steht der Temperaturausgleich des menschlichen Körpers im Verhältnis zur Umgebungstemperatur sowie das Wärme- und Feuchtemanagement innerhalb der Schlafhöhle im Vordergrund (Bild 22). Für Bettdecken kann eine physiologische Schlafkomfortnote, von 1 (= sehr gut) bis 4 (= mangelhaft) reichend, ermittelt werden. Diese macht, vergleichbar der Tragekomfortnote bei Bekleidung, eine Aussage über die Fähigkeit des Produktes, während des Aufenthaltes im Bett bzw. beim Schlaf eine angenehme Temperatur am Körper aufrecht zu erhalten sowie den vom Menschen abgegeben Schweiß schnell und effektiv abzuleiten. Im Rahmen des Temperaturmanagements spielt bei einer Bettdecke insbesondere deren wärmeisolierende Wirkung eine entscheidende Rolle. Den Leitsatz früherer Jahre Je dicker und schwerer die Decke, desto besser die Wärmeisolation konnte anhand der Hohensteiner Untersuchungen widerlegt werden (Bild 23). Die Forschung in diesem Bereich definiert heute im Gegensatz dazu das Ziel, bei der Entwicklung einer modernen Bettdecke die individuell angepasste Wärmeisolation bei möglichst geringem Gewicht der Decke zu erreichen. Um sowohl den Herstellern als auch dem Handel und Verbrauchern die Orientierung zu erleichtern, definieren die Hohensteiner Wissenschaftler 1999 auf Basis ihrer Untersuchungen für Bettdecken drei Wärmeisolationsklassen. Mit Hilfe einer im Bettenfachgeschäft ausgestellten Grafik (Bild 24) kann der Kunde anhand der nächtlichen Temperatur im Schlafzimmer und des persönlichen Körpergewichts die für ihn notwendige Wärmeisolationsklasse individuell ermitteln. Diese muss umso größer sein, je geringer die Umgebungstemperatur und das Körpergewicht des Schläfers sind. Während z. B. eine Person mit 50 kg Gewicht eine körpereigene Wärmeproduktion von nur 62 Watt hat, liegt diese bei einer Vergleichsperson mit einem Gewicht von 110 kg bei 101 Watt. Da aber beide Personen die gleiche Temperatur an der Haut zum Wohlbefinden und Aufrechterhaltung der Körperfunktionen während des Schlafes benötigen, muss die Wärmeisolation der Bettdecke für den Menschen mit geringerem Gewicht deutlich höher sein. Auskunft über die Wärmeisolationsklasse einer Bettdecke gibt wiederum das Hohenstein Qualitätslabel (Bild 25). Selbstverständlich soll eine Bettdecke nicht nur eine optimale Wärmeisolation aufweisen, sondern auch in der Lage sein, überschüssigen Schweiß effektiv vom Körper des Schläfers wegzuleiten. Dies wird in der Schlafkomfortnote ausgedrückt, die an Hand eines in Hohenstein entwickelten Vorhersagemodells aus Messungen mit dem Hautmodell und der Gliederpuppe Charlie 3 ermittelt wird. Auf dem Hohenstein Qualitätslabel für Bettdecken werden zwei Schlafkomfortnoten angegeben, eine für warmes und eine für kaltes Klima (Bild 25). Ausschlaggebend dafür, ob eher die Note für warmes oder eher die für kaltes Klima bei der Entscheidung für ein Produkt herangezogen werden muss, ist die Raumtemperatur innerhalb des angestrebten Nutzungszeitraums (Sommer, Winter, ganzjährig) und das individuelle Gewicht des Käufers. Für die korrekte Wahl hilft hier wiederum die im Fachgeschäft ausgestellte Grafik des Bildes 24. So ist zum Beispiel für eine Person mit einem Körpergewicht von 80 kg bei einer ganzjährigen Schlafzimmertemperatur über 18 C die Note für warmes Klima entscheidend. Liegt die Temperatur ganzjährig darunter, ist die Note für kaltes Klima bei der Produktauswahl heranzuziehen. Wird eine Ganzjahresdecke für stark wechselnde Raumtemperaturen gewünscht, muss auf beide Noten geachtet werden. Frieren im Schlafsack? Beim Kauf eines Schlafsacks interessiert vor allem, bis zu welchen Umgebungstemperaturen herab man ihn benutzen kann, ohne zu frieren. Auch diese Frage beantwortet Charlie 3, der Körpergewicht in kg TK kalt Wärmeisolation MUSTER GEPRÜFT AUF: WÄRMEISOLATION Klasse 2 ** PRÜF-NR.: FI 09.4.XXXX TK warm Umgebungstemperatur in C MUSTER GEPRÜFT AUF: SCHLAFKOMFORTNOTE Warmes Klima 1.2 (SEHR GUT) Kaltes Klima 1.7 (GUT) PRÜF-NR.: FI 08.4.XXXX Bild 23: Mit Hilfe der Gliederpuppe Charlie 3 werden die thermophysiologischen Eigenschaften von Bettdecken oder Matratzen gemessen. Durch zahlreiche Schlafversuche mit Testpersonen wurden prinzipiell die Ergebnisse der Laboruntersuchungen und der daraus abgeleiteten Beurteilung des Schlafkomforts bestätigt. Die Klimakammer ermöglicht dabei die Simulation verschiedenster Umgebungstemperaturen. Bild 24: Anhand des Körpergewichts des Schläfers und der Temperatur im Schlafzimmer lassen sich sowohl die individuell notwendige Wärmeisolationsklasse der Bettdecke ablesen als auch entscheiden, welche der beiden auf dem Hohenstein Qualitätslabel angegebenen Schlafkomfortnoten für diese Temperatur relevant ist. Bild 25: Bei Bettdecken informiert das Hohenstein Qualitätslabel auf der Vorder- und Rückseite über die Wärmeisolationsklasse und die Schlafkomfortnoten in warmem und kaltem Klima

10 in einer Klimakammer unter definierten Bedingungen die für den Schläfer effektive Wärmeisolation des Schlafsacks misst (Bild 26). In einem ausgedehnten Forschungsprojekt entwickeln die Hohensteiner Wissenschaftler in den frühen 1990er Jahren ein physiologisches Bewertungsmodell, mit dem man aus diesen Wärmeisolationswerten den thermischen Verwendungsbereich des Schlafsacks ableiten kann. Nach unten begrenzt wird dieser durch die Komfort- und Grenz-Temperaturen, bei denen die Standard-Frau bzw. der Standard-Mann im Schlafsack zu frieren beginnen. Bei der noch tiefer liegenden Extremtemperatur erfriert die Standard-Frau. Die Höchsttemperatur, bei welcher der Schläfer zu stark schwitzt, stellt die obere Grenze des Verwendungsbereichs des Schlafsacks dar. Dieses Mess- und Bewertungsverfahren fließt 1995 in die deutsche Norm DIN ein, die 2002 durch die europäische Norm EN ersetzt wird. Von da ab können die Hersteller von Schlafsäcken und der Handel die Temperaturangaben für ihre Produkte auf eine objektive und wissenschaftlich belegte Basis stellen und sind nicht mehr wie früher auf reine Vermutungen angewiesen. Entsprechend lassen zahlreiche Schlafsackhersteller bzw. Vertreiber ihre Artikel in den Hohenstein Instituten prüfen. Diese Prüfungen haben heute eine besonders wichtige Bedeutung, da mit dem 2005 europaweit verabschiedeten Produkthaftungsgesetz der Hersteller bzw. Vertreiber von Schlafsäcken für die Richtigkeit der angegeben Grenztemperaturen für den Verwendungsbereich haftbar sind. Komfort macht mobil Bei Fahrzeug-Sitzen spielt der thermophysiologische Komfort eine entscheidende Rolle für die Verkehrssicherheit: Wissenschaftliche Untersuchungen belegen, dass die Leistungsfähigkeit des Autofahrers auf langen Strecken deutlich abnimmt, wenn der Sitz nicht nur die Körperhaltung, sondern auch den Wärme- und Feuchtehaushalt des Körpers nicht in der erforderlichen Weise unterstützt. Die Folge sind Ermüdungszustände und Konzentrationsstörungen, die im schlimmsten Fall zu gefährlichen Unfällen führen können. Nur wenn Material und Design eines Sitzes optimal aufeinander abgestimmt sind und damit zwischen Körper und Sitz auch ein sogenannter Ventilationseffekt entsteht, wird der bestmögliche Sitzkomfort bewirkt. Andernfalls kann es zu Hitze- und Feuchtestaus kommen, die nicht nur als unangenehm empfunden werden, sondern sich auch belastend für den Körper und die Psyche des Menschen auswirken. Zahlreiche Probandenversuche mit einem Fahrsimulator in einer Klimakammer (Bild 27) haben gezeigt, dass aus physiologischer Sicht der Sitzkomfort durch die folgenden vier Parameter bewirkt wird: Den Initialwärmefluss, der das Wärmeempfinden in den ersten Minuten nach dem Hinsetzen bestimmt; die auf das Klima im Fahrzeuginnenraum abgestimmte Wärmeisolation; die als Atmungsaktivität bekannte Fähigkeit, gebildeten Schweiß möglichst schnell abzutransportieren sowie das Maß, wie viel Wasserdampf der Sitz aufnehmen kann, ohne sich subjektiv feucht anzufühlen (Schweißpufferung). Die Atmungsaktivität und Schweißpufferung des Sitzes werden mit Hilfe des Hohenstein Hautmodells ermittelt und der Initialwärmefluss sowie die Wärmeisolation mit dem sogenannten Polsterprüfgerät. Um die Wärmeabgabe des Körpers nachzustellen, wird bei diesem ein auf die Hauttemperatur des Menschen beheizter Aluminiumstempel in Form eines Gesäßes auf den Sitz gedrückt (Bild 28). Wärmeflusssensoren geben Aufschluss darüber, wie viel Wärme der Mensch in den ersten Minuten nach dem Kontakt mit dem kalten Sitz an diesen abgibt und welche Wärmeisolation der Sitz nach Erreichen des Temperaturgleichgewichts zwischen Körper und Sitzfläche bewirkt. Zahlreiche namhafte Automobilhersteller und ihre Zulieferer nutzen die Dienste der Hohensteiner Spezialisten bereits seit vielen Jahren, um die Qualität ihrer Sitze zu verbessern. Ihre zukünftige Aufgabe auf dem Gebiet der Fahrzeugsitze sehen die Hohensteiner Wissenschaftler in der Erforschung der Konstruktionselemente für einen aktiven Klimasitz, der mittels sensorgesteuerten Heiz- bzw. Kühlelementen stets ein als angenehm empfundenes Mikroklima an den Berührflächen des Körpers erzeugt. Bild 26: Die Gliederpuppe Charlie 3 misst nach der Norm EN die Wärmeisolation von Schlafsäcken. Daraus wird deren thermischer Verwendungsbereich bestimmt C 0 C - 6 C - 13 C Komfortbereich Übergangsbereich Risikobereich Bild 27: Mit Hilfe von Testpersonen wird der physiologische Komfort von Autositzen auch am Fahrsimulator in der Klimakammer geprüft. Bild 28: Das Polsterprüfgerät misst den Initialwärmefluss beim ersten Kontakt mit Autositzen sowie deren Wärmeisolation während des Fahrens

11 Bild 31 links: Beim Thermoregulationsmodell der menschlichen Hand wird sowohl die Feuchtewie auch die Wärmeabgabe simuliert, um den Tragekomfort von Handschuhen unter realistischen Bedingungen untersuchen zu können. Bild 30: Mit dem Thermoregulationsmodells eines ca. vier Jahre alten Kindes wird an den Hohenstein Instituten insbesondere der Schlafkomfort von Bettwaren für Kinder untersucht und optimiert. Bild 32 rechts: Um den thermischen Tragekomfort von Socken und Schuhen untersuchen zu können, müssen die besonderen Tragebedingungen am menschlichen Fuß berücksichtigt werden. Bild 29: Da die Temperaturregelung von Kindern sich wesentlich von der Erwachsener unterscheidet, versieht seit 2008 die Gliederpuppe Charlene ihren Dienst an den Hohenstein Instituten. Kinder sind mehr als kleine Menschen Der Körper eines Kindes kann aufgrund seiner geringeren Masse weniger Wärmeenergie erzeugen, als der eines Erwachsenen. Hinzu kommt, dass bei Kindern die Fähigkeit zur Thermoregulation noch nicht voll ausgebildet ist der Körper reagiert deshalb nicht oder nur verzögert auf sich verändernde Umgebungstemperaturen. Da zudem noch nicht alle Schweißdrüsen aktiv sind, ist die Gefahr des Auskühlens, aber auch der Überhitzung des Körpers ungleich höher als beim erwachsenen Menschen. Besonders bei der Konstruktion von Bettwaren müssen diese physiologischen Unterschiede berücksichtigt werden. Mit Hilfe der an den Hohenstein Instituten entwickelten thermischen Gliederpuppe Charlene (Bild 29) lässt sich seit dem Jahr 2008 der Schlafkomfort von Kinderbettwaren unter Berücksichtigung der physiologischen Besonderheiten von Kindern beurteilen und optimieren. Dazu wird bei Charlene die Wärmeproduktion des menschlichen Körpers mit Hilfe eines computergesteuerten Heizsystems nachgestellt. Mit einem Gewicht von 20 kg auf 92 cm Körperhöhe kann Charlene aber deutlich weniger Körperwärme erzeugen, als der rund 75 kg schwere und 175 cm große Charlie 4 - ganz so, wie es auch bei ihren menschlichen Vorbildern der Fall ist. Um unter einer Bettdecke trotzdem eine angenehme Temperatur zu halten, muss deren Wärmeisolation entsprechend höher sein. Charlene besteht anders als Charlie 4 nicht aus Kupfer, sondern aus Kunststoff (Bild 30). Über ein computergesteuertes Heizsystem lässt sich die Wärmeproduktion für sechs verschiedene Körpersektionen getrennt voneinander regeln. Dabei gilt: Je mehr Wärme an einer Körperregion abgegeben wird, d. h. je mehr Energie dort zugeführt werden muss, um die angestrebte Hauttemperatur zu halten, desto schlechter ist dort die Wärmeisolation der Bettdecke. Neben der isolierenden Wirkung ist es die Fähigkeit den Schweiß des Schläfers effektiv aufzunehmen und vom Körper wegzuleiten, die den Schlafkomfort von Bettwaren definiert. Da Charlene nicht schwitzen kann, werden die Untersuchungen an ihr mit Messungen am Hohenstein Hautmodell kombiniert. Mit diesem sind Aussagen über den Wasserdampfdurchgangswiderstand als Maß für die Atmungsaktivität sowie Angaben zum Schweißtransport, der Schweißpufferung sowie der Trocknungszeit der verwendeten textilen Materialien möglich. Der Kampf gegen kalte Hände und Schweißfüße Über die große Oberfläche an Fingern und Zehen geht dem Körper bei entsprechend kühlen Umgebungstemperaturen im Verhältnis zur Masse sehr viel mehr Wärme verloren, als zum Beispiel am Rumpf. Um eine komfortable Hauttemperatur aufrecht erhalten zu können, muss die Wärmeisolation von Socken, Schuhen und Handschuhen deshalb entsprechend hoch sein. Gleichzeitig müssen die verarbeiteten textilen Materialien den insbesondere bei körperlicher Aktivität entstehenden Schweiß sehr effektiv aufnehmen und vom Körper wegleiten. In der schwitzenden Hand (Bild 31) und dem schwitzenden Fuß (Bild 32) sind die Funktionsprinzipien des Hohenstein Hautmodells und der thermischen Gliederpuppen miteinander kombiniert worden. D. h. sie geben sowohl Feuchtigkeit wie auch Wärme ab. Damit ist es erstmals möglich, die besonderen thermischen Bedingungen an den menschlichen Extremitäten realitätsnah zu simulieren. Um zum Beispiel verlässliche Werte zum Tragekomfort einer Socken-Schuhkombinationen zu erhalten, mussten bisher alle in den Produkten verwendeten Materialien mit Hilfe des Hautmodells untersucht werden. Die Hochrechnungsszenarien aus dem Bereich der Bekleidung ließen jedoch allenfalls Näherungswerte zu. Mit Hilfe des schwitzenden Fußes sind nun verlässliche und vor allem auch sehr differenzierte Aussagen sogar für einzelne Fußzonen möglich. In ihrem Aufbau unterscheiden sich schwitzende Hand und schwitzender Fuß gravierend. Beim Thermoregulationsmodell der menschlichen Hand simuliert ein wasserdampfdurchlässiges Membranmaterial die menschliche Haut und gibt die Feuchtigkeit vollflächig ab. Der schwitzende Fuß besteht aus 13 Metallsegmenten der Schweiß wird über 32 Einzeldüsen abgegeben. Um den großen Einfluß von Ventilationseffekten im Schuh auf den thermischen Komfort berücksichtigen zu können, werden beim schwitzenden Fuß motorisch angetrieben Laufbewegungen simuliert. Gemein haben alle neuen Messapparaturen im Bereich der Bekleidungsphysiologie, dass ein Großteil der Entwicklungszeit in die Umsetzung der aufwendigen Steuerungs- und Messtechnik geflossen ist: Um die abgegebene Schweißmenge und die zur Aufrechterhaltung komfortabler Temperaturen an der Haut notwendige Energie exakt ermitteln zu können, musste das Hohen

12 Bild 33: Das von den Hohenstein Instituten entwickelte Hautmodell besteht aus einer elektrisch auf Hauttemperatur beheizbaren, porösen Sintermetallplatte, der Wasser zugeführt wird. steiner Team wie auch schon bei der Entwicklung der thermischen Gliederpuppe Charlie 4 und des Hohenstein Hautmodells technisches und wissenschaftliches Neuland betreten. Von den gewonnenen Erkenntnissen können nun aber Hersteller weltweit profitieren und letztendlich auch Verbraucher, die sich über optimierte Produkte für Beruf und Freizeit freuen dürfen. Bekleidungsphysiologische Messmethoden im Überblick Bei den Untersuchungen des Tragekomforts von Textilien wird grundsätzlich zwischen thermophysiologischen Aspekten, d. h. dem Wärme- und Feuchtemanagement, und dem Empfinden auf der Haut (Hautsensorik) unterschieden. Messmethoden Thermophysiologie Hohenstein Hautmodell Das Hohenstein Hautmodell simuliert die Wärmeund Feuchteabgabe der Haut. Es besteht aus einer elektrisch auf Hauttemperatur beheizbaren, porösen Sintermetallplatte, der Wasser zugeführt wird (Bild 33). Diese befindet sich in einem Klimaschrank, so dass die verschiedensten Umgebungsbedingungen simuliert werden können. Dazu lassen sich Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftbewegung nach Wunsch einstellen. Die Messungen mit dem Hautmodell liefern für Stoffe und Gewebe spezifische Kenngrößen wie z. B. Wärmeisolation, Wasserdampfdurchgangswiderstand als Maß für die Atmungsaktivität, Schweißtransport und Schweißpufferung, Trocknungszeit usw. Diese Kenngrößen charakterisieren die thermophysiologische Qualität der textilen Materialien. Thermische Gliederpuppen Charlie 3, Charlie 4 und Charlene Mit Hilfe der ebenfalls an den Hohenstein Instituten entwickelten thermischen Gliederpuppen Charlie 3, Charlie 4 und Charlene lässt sich die Wärmeisolation konfektionierter Kleidungsstücke, Bettwaren und Schlafsäcke ermitteln. Mit den sogenannten Thermoregulationsmodellen des Menschen wird die Wärmeproduktion von Erwachsenen und Kindern nachgestellt. Die Gliederpuppen bestehen aus Kupfer bzw. Kunststoff und sind mit einem computergesteuerten Heizsystem versehen, mit dem sich die Wärmeproduktion für verschiedene Körpersektionen getrennt voneinander regeln lässt. Je mehr Wärme z. B. an Armen oder Beinen abgegeben wird, desto schlechter ist dort die Wärmeisolation des Kleidungsstückes. Da diese ganz gravierend von den Ventilationseffekten beeinflusst wird, die durch Bewegungen zustande kommen, werden bei der Untersuchung von Kleidungsstücken mit Charlie 4 Gehbewegungen simuliert. Dazu werden Arme und Beine der an einem Gestänge angebrachten Gliederpuppe entsprechend bewegt. Die Untersuchungen an den thermischen Gliederpuppen sind eine wichtige Ergänzung zu denen am Hautmodell, da sich Einflüsse durch die Konfektion der Kleidungsstücke (Passform, elastische Bündchen, Rollkragen usw.) berücksichtigen lassen. Da die Charlies und Charlene nicht schwitzen, lässt sich das Feuchtemanagement und damit ein wichtiger Aspekt des thermophysiologischen Tragekomforts nur beurteilen, wenn als Basis Untersuchungen am Hautmodell vorliegen. Thermoregulationsmodell schwitzende Hand und schwitzender Fuß In der schwitzenden Hand und dem schwitzenden Fuß (Bild 34) sind die Funktionsprinzipien des Hautmodells und der thermischen Gliederpuppen miteinander kombiniert worden, d. h. die Wärme- und Feuchtigkeitsabgabe bei kontrollierten klimatischen Umgebungsbedingungen. Mit den im Jahr 2008 an den Hohenstein Instituten in Betrieb genommenen Messinstrumenten lassen sich damit sowohl die Wärmeisolation wie auch die Atmungsaktivität von Handschuhen sowie Socken und Schuhen beurteilen. Polsterprüfgerät Sowohl bei ausgekühlten wie auch aufgeheizten Kfz-Sitzen dauert es einige Zeit, bis sich ein angenehmer Sitzkomfort eingestellt hat. Mit Hilfe des Polsterprüfgerätes wird der Temperatureindruck (Initialwärmefluss), den ein Mensch beim ersten Kontakt empfindet, ermittelt. Darüber hinaus wird die effektive Wärmeisolation von Sitzen während längerer Autofahrten bei den unterschiedlichsten Umgebungstemperaturen erfasst. Menschliche Probanden Mit Hilfe des Hohenstein Hautmodells und der thermischen Gliederpuppen Charlie und Charlene lässt sich der thermophysiologische Komfort objektiv messen und beurteilen. Um diese, heute weltweit im Bereich der Bekleidungsphysiologie etablierten, Untersuchungsmethoden und die damit verbundenen Beurteilungsmodelle entwickeln zu können, waren zahlreiche Messreihen mit menschlichen Probanden notwendig (Bild 35). Diese kommen bei den Hohenstein Instituten auch heute noch zum Einsatz wenn es gilt, ein vollständig neues Produkt zu entwickeln oder die Ergebnisse der Untersuchungen mit Hautmodell und thermischer Gliederpuppe zu bestätigen. Klimakammern In den vier Klimakammern der Hohenstein Institute (Bild 36) lassen sich die verschiedensten Umgebungsbedingungen nachstellen: Die Temperaturspanne reicht von - 25 C bis + 50 C und ermöglicht z. B. die Untersuchung von Schlafsäcken unter extremen Bedingungen. Mit Hilfe einer Beregnungsanlage lässt sich Niederschlag in unterschiedlichster Intensität nachstellen und eine Wärmewand simuliert intensive Sonneneinstrahlung ebenso realistisch wie offenes Feuer, wenn es z. B. darum geht den Tragekomfort von Feuerwehrkleidung zu untersuchen. Ventilatoren, ein Fahrsimulator für die Untersuchung von Autositzen mit Probanden und Wasserbassins, in denen Charlie 2 z. B. die Überlebenszeit für Piloten unter Extrembedingungen im Eiswasser testet, ergänzen die Standardausstattung der Hohensteiner Klimakammern. Bild 34: Laufende Messreihe am Thermoregulationsmodell "schwitzender Fuß". Bild 35: Zahlreiche Versuche mit Probanden in den vergangenen Jahrzehnten haben überhaupt erst die physiologischen Vorhersagemodelle ermöglicht, mit deren Hilfe die Laborergebnisse heute in menschliches Empfinden übertragen werden. Bild 36: In den vier Klimakammern der Hohenstein Institute lassen sich die verschiedensten Umgebungsbedingungen mit Hilfe von Ventilatoren, Strahlungswänden usw. simulieren

13 Bild 37: Mit Hilfe der kontinuierlichen Kontaktwinkelmessung an einem Wassertropfen auf der Textiloberfläche wird ermittelt, wie schnell das Material flüssigen Schweiß aufnimmt. Messmethoden Hautsensorik Die hautsensorischen Eigenschaften gehören neben dem Wärme- und Feuchtemanagement von Textilien zu den maßgeblichen Aspekten für deren Tragekomfort. Hautnahe Kleidung soll nicht auf der Hautoberfläche ankleben und auch größere Schweißmengen an hautferne Kleidungsschichten transportieren. Um die Anforderungen an den hautsensorischen Komfort zu erfüllen, ist vor allem die Konstruktion des textilen Grundmaterials relevant, aus dem ein Kleidungsstück besteht. Um die Oberflächenstruktur von textilen Materialien und damit deren hautsensorischen Komfort zu beurteilen, wurden in der Abteilung Bekleidungsphysiologie an den Hohenstein Instituten verschiedene Laboruntersuchungen entwickelt: Sorptionsindex Weil die Sensibilität der Haut für mechanische Irritationen mit zunehmender Feuchtigkeit größer wird, ist es für den sensorischen Tragekomfort von Vorteil, wenn ein textiles Material den Schweiß möglichst rasch von der Haut abtransportiert. Der Sorptionsindex gibt die Geschwindigkeit an, mit der ein auf das Textil auftreffender Wassertropfen von diesem absorbiert wird. Dazu wird ein Wassertropfen auf die Textilprobe aufgebracht und über eine Videokamera beobachtet (Bild 37). Der Kontaktwinkel des Wassertropfens auf der Textiloberfläche wird kontinuierlich ermittelt und damit festgehalten wie schnell das Material flüssigen Schweiß aufnimmt. Klebekraft Eine poröse gesinterte Glasplatte, der Wasser mittels einer kalibrierten Motorbürette zugeführt wird, simuliert die schwitzende Haut. Die Textilprobe, befestigt an einem Zylinder, wird über die Platte gezogen. Die dazu notwendige Kraft ergibt den sogenannten Klebeindex, anhand dessen sich beurteilen lässt, ob das Textil beim Schwitzen unangenehm an der Haut kleben wird (Bild 38). Biegesteifigkeit Zur Ermittlung der Steifigkeit eines textilen Materials wird in einer Messeinrichtung per Laserstrahl der Biegewinkel des auf einem dünnen Stab aufgelegten Stoffstreifens gemessen (Bild 39). Die Hohensteiner Wissenschaftler haben auf Basis ihrer jahrelangen Erfahrung für verschiedene Produkt- und Einsatzbereiche Vorgaben definiert, die einen optimalen Tragekomfort gewährleisten und mechanische Hautirritationen aufgrund zu hoher Biegesteifigkeit ausschließen. Anzahl der Kontaktpunkte und Oberflächenindex An einen Oberflächenscanner bzw. ein Mikroskop angekoppelte Bildanalyse-Systeme zeigen für Textilien die Anzahl der Kontaktpunkte sowie einen Oberflächenindex als Maßstab für die Kontaktfläche des textilen Materials mit der Haut bzw. die Haarigkeit der Oberfläche (Bild 19, Seite 14). Im Rahmen jahrzehntelanger Forschung haben die Hohensteiner Wissenschaftler Richtwerte für die optimale Zahl von Kontaktpunkten und den Oberflächenindex definiert. Eine Note für den Tragekomfort Die Ergebnisse der Untersuchungen am Hautmodell und den Thermoregulationsmodellen fließen zusammen mit der Beurteilung der Hautsensorik in die so genannte Trage- bzw. Schlafkomfortnote ein. Dies ist möglich, da Forschungsarbeiten gezeigt haben, dass z. B. bei Alltagskleidung die Tragekomfortempfindung zu ca. zwei Dritteln durch die thermophysiologischen und zu ca. einem Drittel durch die hautsensorischen Eigenschaften der Textilien verursacht wird. Die Beurteilung des Tragekomforts erfolgt im Schulnotensystem von 1 für sehr gut bis 6 für ungenügend. Die Komfortnoten werden heute von zahlreichen Herstellern im Handel in Form des Hohenstein Qualitätslabels am Produkt aufgeführt und ermöglichen dem Verbraucher den einfachen Vergleich zwischen unterschiedlichen Produkten. Bild 38: Eine poröse gesinterte Glasplatte, der Wasser mittels einer kalibrierten Motorbürette zugeführt wird, simuliert die schwitzende Haut. Die Textilprobe, befestigt an einem Zylinder, wird über die Platte gezogen. Die dazu notwendige Kraft ergibt den sogenannten Klebeindex, anhand dessen sich beurteilen lässt, ob das Textil beim Schwitzen unangenehm an der Haut kleben wird. Bild 39: Hautsensorische Aspekte von Textilien werden im Rahmen der physiologischen Prüfung an den Hohenstein Instituten mit einer Reihe von Messmethoden, darunter der Ermittlung der Biegesteifigkeit, erfasst und fließen unter anderem in die Tragekomfortnote ein

14 Thermoregulationsmodell Charlie 4 eines erwachsenen Standard -Mannes Charlene eines vierjährigen Standard -Kindes Hohenstein Hautmodell der menschlichen Haut Größe 175 cm, 75 kg 92 cm, 20 kg 20 cm x 20 cm in einem Klimaschrank Messungen Wärmeisolation Wärmeisolation Wärmeisolation Wasserdampfdurchgangswiderstand (Atmungsaktivität) Schweißpufferung Schweißtransport Untersuchte Produkte Material und Farbe Heizsystem Konfektionierte Produkte: Kleidung aller Art, Bettwaren und Schlafsäcke Kupfer mit schwarzer Lackierung, um die physikalische Wärmestrahlung des Körpers dem menschlichen Vorbild möglichst ähnlich zu gestalten Elektrische Heizleitungen in 16 Sektionen einzeln ansteuerbar, um Wärmeisolation an den verschiedenen Körperregionen beurteilen zu können Konfektionierte Produkte: Bettwaren und Schlafbekleidung für Kinder Kunststoff mit schwarzer Beschichtung, um die physikalische Wärmestrahlung des Körpers dem menschlichen Vorbild möglichst ähnlich zu gestalten Elektrische Heizleitungen in 6 Sektionen einzeln ansteuerbar, um Wärmeisolation an den verschiedenen Körperregionen beurteilen zu können Flächengebilde: Textile Materialien aller Art Gesinterte Metallplatte Elektrische Heizleitungen Schwitzende Hand einer menschlichen Hand Schwitzender Fuß eines menschlichen Fußes Handschuhgröße 9 Schuhgröße 43 Wasserdampfdurchgangswiderstand (Atmungsaktivität) Konfektionierte Produkte: Handschuhe Drahtgeflecht überzogen mit Membranmaterial Heißwasser-Kreislaufsystem Wärmeisolation Wasserdampfdurchgangswiderstand (Atmungsaktivität) Konfektionierte Produkte: Socken und Socken-Schuh- Kombinationen Metallsegmente Elektrische Heizleitungen in 13 Sektionen einzeln ansteuerbar, um Wärmeisolation an den verschiedenen Regionen des Fußes beurteilen zu können Messpunkte In 16 Sektionen In 6 Sektionen In einer Sektion In einer Sektion In 13 Sektionen Schweißabgabe keine keine Dampfförmig über Poren auf der gesamten Fläche aufgrund der Wasserdampf- Partialdruckdifferenz zwischen Hautmodell und Umgebung Flüssig auf der ganzen Fläche über Spritzdüsen Beweglichkeit Volle Beweglichkeit an den menschlichen Gelenken. Um die Ventilationseffekte beim Laufen zu berücksichtigen, werden bei der Untersuchung von Kleidung diese Bewegungen simuliert Volle Beweglichkeit an den menschlichen Gelenken. Laufbewegungen werden aufgrund der derzeitigen Untersuchungsobjekte noch nicht simuliert Dehnungen sowie statische und dynamische Druckbelastungen auf das Material (wie z. B bei Autositzen) können simuliert werden Über Membranmaterial aufgrund der Wasserdampf-Partialdruckdifferenz zwischen schwitzender Hand und der Umgebung keine Über 32 Schweißdrüsen mit Hilfe einer medizinischen (Wasser-)Pumpe Laufbewegungen werden simuliert Prof. Dr.-Ing. Otto Mecheels Leiter der Hohenstein Institute geboren in Bönnigheim (Deutschland) Färbereileiter bei Fa. Amann & Söhne in Bönnigheim 1929 Berufung als Professor an das Staatliche Technikum für Textilindustrie in Reutlingen und Übernahme der textilchemischen Abteilung 1935 Übersiedelung an die Preußische Höhere Schule für Textilindustrie Mönchengladbach als Schuldirektor 1944 Nach Zerstörung der Schule in Mönchengladbach Rückkehr nach Bönnigheim zusammen mit den Lehrern und Schülern der Abschlussklasse. Die rund 60 Personen nutzen zunächst die leeren Räume des dortigen Schlosses - nach Kriegsende erfolgt der Umzug auf das Schloss Hohenstein in direkter Nachbarschaft 1946 Gründung des Forschungsinstituts Hohenstein 1949 Gründung der Lehr- und Versuchsanstalt für Bekleidungsindustrie, die 1954 in Lehranstalt Hohenstein e.v. umbenannt wird 1961 Gründung des Bekleidungsphysiologischen Instituts Hohenstein e.v. als Einrichtung einer von der Öffentlichen Hand geförderten Gemeinschaftsforschung 1962 Übergabe der Institutsleitung an seinen Sohn Prof. Dr. Jürgen Mecheels 1979 verstorben im Alter von 85 Jahren auf Schloss Hohenstein Prof. Dr. rer. nat. Jürgen Mecheels Leiter der Hohenstein Institute geboren als Sohn von Prof. Dr.-Ing. Otto Mecheels in Stuttgart (Deutschland) 1958 Diplom in Textilchemie an der Universität Heidelberg Promotion und Entwicklung des thermoregulatorischen Funktionsmodells der Haut Wissenschaftlicher Mitarbeiter an den Hohenstein Instituten und Dozent an der Technischen Akademie Hohenstein e.v Leiter der Hohenstein Institute 1988 Ernennung zum Professor durch den baden-württembergischen Ministerpräsidenten Dr. Lothar Späth 1996 Auszeichnung mit dem Bundesverdienstkreuz am Bande 2006 verstorben im Alter von 78 Jahren Prof. Dr. rer. nat. Karl-Heinz Umbach Direktor der Abt. Bekleidungsphysiologie an den Hohenstein Instituten ( September 2009) Stellv. Leiter des Bekleidungsphysiologischen Instituts Hohenstein e.v. ( September 2009) 1944 geboren in Stetten/Remstal (Deutschland) 1971 Diplom in Physik an der Universität Stuttgart Wissenschaftlicher Assistent am 2. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart 1975 Promotion auf dem Gebiet der Festkörperphysik seit 1976 Mitarbeiter an den Hohenstein Instituten; ca.190 Veröffentlichungen auf dem Gebiet der Bekleidungsphysiologie seit 1982 Obmann von vier und Mitarbeiter in 15 nationalen und internationalen Normenausschüssen 1995 Adjunct Professor an der North Carolina State University, Raleigh NC, USA 1997 Honorarprofessor an der Universität Kassel Dr. rer. nat. Andreas Schmidt Geschäftsführer der Abteilung Function and Care an den Hohenstein Instituten (Oktober November 2107) 1974 geboren in Monheim am Rhein 1999 Diplom in Chemie an der Heinrich-Heine-Universität, Düsseldorf Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Deutschen Textilforschungszentrum Nord-West e.v. Institut an der Universität Duisburg Laborleiter bei der Henkel AG & Co. KGaA Labor: Textile Fibers Diverse Funktionen im Bereich Produktentwicklung bei der Henkel AG & Co. KGaA seit 2009 Direktor der Abteilung Function and Care an den Hohenstein Instituten 26 27